特别鸣谢本文原作者TrapdoorTech创始人Star.LI的支持！
本文摘自:IOSG
原标题：《L2的理解与思考》
Layer2是个大的话题。是否去中心化，是否安全，资金状态确认时间是Layer2的主要的讨论话题。最近有点时间，总结一下Layer2的理解和思考。
Layer2交互模型
Layer2，相对于Layer1，在Layer1的基础上提供更丰富功能，更好的用户体验。抽象一下Layer2的逻辑以及交互模型如下：
除了Layer1的交易外，其他Layer2的交易都在Layer2执行。为了Layer2在必要时恢复交易状态，所有Layer2的交易数据需要安全存储。简单起见，也为了和Layer1保持一样的安全性，所有Layer2的交易数据一般存储在Layer1。这种交易数据的随时可访问，称为"DataAvailability"。所有的Layer2交易都在Layer2执行，并同步到Layer1。如何证明Layer2同步的状态正确，不同的layer2方案有不同的实现方法。
Huobi哲叔：头部项目对Layer2的技术选型决定了未来ETH生态发展:3月11日，在以《Layer2百花齐放， DeFi 们如何“站队”？》为主题的AMA中，Huobi Global商业战略总监哲叔、Synthetix大中华区负责人Dorothy、路印协议CTO Steve Guo、Starks Network联合创始人张晓关于即将到来的Layer2展开了精彩的对话。Huobi哲叔认为：1.随着Layer2的爆发，tps的提升和gas的降低，会大大提升DeFi用户的使用体验。DeFi再也不再是有钱人的游戏。相信DeFi整体的TVL和各类业务量都会上一个新的台阶。无论是借贷，还是DEX，合成资产还是其他，各个赛道都会打开之前的天花板，强者恒强，头部效应会更加集中。2.而且目前这些在layer1上已经跑出来的头部项目，他们选择哪个技术选型，他们的站队对未来的ETH生态发展起到了决定性的作用。3.由于ETH 2.0还要2年左右的时间才有可能落地，这不光给了layer2，还给了其他的公链机会。比如今年目前暂定4-6月才会进行插槽拍卖的KSM/DOT。此外以Heco/BSC为代表的CEX公链生态也抓住了机会，得到了迅猛的发展，目前Heco上整体的TVL最高也达到过80亿美金。未来非常有可能的生态，是ETH生态、波卡生态、CEX做的公链生态，三足鼎立。[2021/3/12 18:37:22]
Layer2实现分类
Travala增加对LINK的支持:酒店预订平台Travala宣布增加Chainlink（LINK）用于预订支付业务，允许用户使用LINK支付机票、酒店等费用。（U.Today）[2021/3/4 18:12:42]
从Layer2状态同步方式，Layer2分为两类：一类是侧链实现，一类是Rollup。侧链，就是通过不同于Layer1的共识进行Layer2状态向Layer1的同步。仅从这一点，整个侧链的安全性，就降低到Layer2的共识的安全性。Rollup又分为两种：一种是zkRollup，一种是OptimisticRollup。所谓OptimisticRollup，乐观性Rollup，期望绝大多数情况下Rollup正确向Layer1同步状态。同时，为了防止同步错误的状态，提供了挑战机制。乐观预计挑战的机率比较小。在需要挑战的情况下，Layer1可以判断正确状态。zkRollup是最直接的状态同步方式，通过零知识证明技术，在向Layer1提交状态的同时提供状态变化的证明。Layer实现分类如下：
韦氏评级：公众对Libra正在失去兴趣:7月14日，加密货币评级机构韦氏评级（Weiss Ratings）发推称，必须承认，公众对Libra正在失去兴趣。Libra不是一个公用的加密资产，而是一个数字资产。而我们希望，无论Libra的最终形式是什么，它都能像一种入门药物一样，吸引更多的人购买BTC。而除此之外，就没什么有趣的了。[2020/7/14]
zkRollup，按照采用的零知识证明协议又分为三类：1/Groth162/PLONK3/STARK。Groth16协议需要针对每一个电路进行初始设置(TrustedSetup)。PLONK协议在一定规模下的电路只需要一次初始设置。STARK协议不需要初始设置。但是，相对另外两种算法，STARK协议，证明数据量大，验证时间长。相对来说，在Layer2的场景下，PLONK是目前广泛使用的算法。
STARK协议和SNARK(Groth16/PLONK)协议比较：
动态 | 德国央行行长在G7会议上对Libra表示支持:据报道，德国央行行长延斯·魏德曼在最近的G7会议上支持Facebook的天秤座。他表示：不要压制Libra这样的“创新概念”，能兑现承诺的话，Libra等数字货币对消费者具有吸引力。[2019/7/19]
https://github.com/matter-labs/awesome-zero-knowledge-proofs
总结一下，从安全性角度看，各种Layer2的排序如下：zkRollup，optimisticRollup，侧链。从提现的时间也印证了安全性，zkRollup的提现是分钟级别，其他两种方案，小时甚至是天级别。zkSync是比较完善的zkRollup开源项目，感兴趣的小伙伴可以查看之前的分析文章：
zkRollup，虽好，目前存在很大的缺陷：可编程性差。
细看zkRollup
相对其他Rollup方案，zkRollup方案多了zk证明系统。也就是说，在Layer2每个交易除了“执行”外，还需要生成证明，证明执行过程的正确性。熟悉零知识证明技术的小伙伴都知道，零知识证明的安全性在于”电路“的安全性。对于Layer2，每种交易的处理”固化“为电路，电路逻辑完全公开。对应于每种电路，存在唯一的验证秘钥。验证秘钥用在Layer1验证状态证明。通过验证的状态证明，符合固化电路的逻辑。
声音 | 欧洲央行执行委员会：金融机构需快速采取行动以应对Libra项目:据cointelegraph消息，欧洲央行执行理事会成员Benoit Coeure最近表示，金融机构需快速采取行动以应对Facebook的Libra项目。Coeure表示，“让Libra在金融服务活动的监管空白中发展是不可能的，这太危险，我们必须比现在更快的采取行动。”[2019/7/8]
关键就在于Layer2交易的执行和固化电路语义是否一致。公开电路就是一种共识方式，供所有人查阅电路逻辑。简单的说，为了实现zkRollup，需要实现Layer2执行对应的电路。事实上，电路的实现相对复杂，没有高级语言，很多情况下都是手写R1CS。进一步，为了利用zk证明系统，为了优化电路的实现，整个Layer2的状态经常优化为电路友好结构。所以，zkRollup的系统需要考虑电路的结构，从而约束了Layer2交易以及账户模型。细心的小伙伴可以发现，不管是zksync/zkswap/loopring，都只实现了特定交易场景。
反过来说，如果需要通过zkRollup支持EVM的交易执行，需要将EVM的交易抽象成电路友好的账户模型。这种抽象并不容易，再者，EVM的描述电路可以预见比较大。从零知识证明的性能看，这方面会限制整个zkRollup的性能。
再看看zkRollup方案在Layer1的gas消耗。整个zkRollup方案的主要gas消耗为三部分：
TransactionRawData：在zksync中称为pubdata。为了保证dataavailability，所有的Layer2的交易都会以裸数据的形式提交到Layer1。Layer2Block管理：在Layer2提交区块状态时，Layer1维护着Layer2的区块结构和状态。验证Layer2Block状态：在Layer2提交证明时，Layer1需要验证状态证明。以一个区块350笔交易，每个交易的TransactionRawData的大小为20字节为例，一个区块处理的gas消耗：
虽然上述的数据不是精确值，但是足以说明交易原始数据在整个zkRollup方案中的gas消耗占比是非常高的。从这个角度看，Layer2的有些项目选择通过其他链下的方式存储交易数据。
Optimismvs.Arbitrum
OptimisticRollup兼容EVM。也就是说，Layer2支持可编程性，并且在以太坊上的程序几乎无缝迁移。为了保证链上的状态正确，这两种方案都提供一段时间内的挑战机制。挑战者提供挑战的证据，Layer1抉择正确与否。深入理解Optimism和Arbitrum可以查看之前的文章。
Optimism采用OVM执行Layer2交易。取名OVM是为了区分Layer1的EVM。因为提交到Layer1的状态需要检验正确性，Layer1需要“重放”Layer2的交易，也就是说，Layer1在有些情况下需要执行OVM交易的执行。OptimisticRollup最复杂的地方也在于此，用EVM模拟OVM，并执行Layer2的交易。可想而知，在Layer1的EVM模拟OVM的执行是比较繁琐，消耗较大的操作。
Arbitrum也是采用挑战机制。为了避免挑战的gas费用低，Arbitrum引入了AVM：
相对于EVM，AVM是一个相对简单的虚拟机。Arbitrum在AVM虚拟机上模拟EVM执行环境。也就是说，所有的Layer2交易都是在AVM执行，交易的执行状态可以用AVM状态表示。在提交到Layer1的状态有分歧时，挑战双方先将状态分割，找出“分歧点”。明确分歧点后，挑战双方都可提供执行环境，Layer1执行相关操作确定之前提交的状态是否正确。在Layer1挑战的是AVM的状态，分歧点的AVM的指令执行。
简单的说，为了省挑战的gas费用，Arbitrum采用了精简的AVM，通过快速分割，在链上只需要执行一个指令，判断状态是否执行正确。Arbitrum介绍文档中提到，整个挑战需要大概500字节的数据和9w左右的gas。在AVM的基础上，Arbitrum设计了mini语言和编译器，模拟了EVM的执行环境，从而兼容EVM。
总结
Layer2，相对于Layer1，在Layer1的基础上提供更丰富功能，更好的用户体验。资金状态确定性时长，安全性，可编程性是目前讨论的焦点。zkRollup是资金状态确定性最快的方案。optimisticRollup/侧链具有可编程性。zkRollup支持EVM的证明是个期待的方向。
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